【摘要】：隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展,因特網(wǎng)滲入到人們生活的方方面面,越來越多的數(shù)據(jù)內(nèi)容如電子商務(wù)、視頻媒體進(jìn)入網(wǎng)絡(luò),整個(gè)因特網(wǎng)的主要用途已經(jīng)從傳統(tǒng)的資源共享變成了內(nèi)容分發(fā)。為了從根本上滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容分發(fā)的需求,信息中心網(wǎng)絡(luò)ICN (Information Centric Networking)體系結(jié)構(gòu)被提出來。ICN方案的一個(gè)重要特點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò)中的路由器具有緩存數(shù)據(jù)內(nèi)容的功能以改善網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容的效率,該特點(diǎn)被稱為ICN的網(wǎng)絡(luò)緩存功能。網(wǎng)絡(luò)緩存可以減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,也可以降低發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞的可能性,并可以降低內(nèi)容服務(wù)器的負(fù)載。因此網(wǎng)絡(luò)緩存在彰顯ICN的優(yōu)勢(shì)方面扮演著重要的角色,它的性能對(duì)ICN的系統(tǒng)性能有著至關(guān)重要的影響。作為一個(gè)獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)功能,網(wǎng)絡(luò)緩存引入了許多新問題：首先,當(dāng)前每個(gè)ICN路由器無差異地普遍緩存任何途經(jīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容報(bào)文,由于路由器中緩存空間有限,無差異的普遍緩存不僅在數(shù)據(jù)內(nèi)容報(bào)文傳輸?shù)穆窂缴?on-path)造成了不小的冗余,而且產(chǎn)生了不必要的頻繁的緩存置換更新。其次,當(dāng)前ICN路由器并不能感知和定位其他鄰近路由器所緩存的內(nèi)容,用戶請(qǐng)求傳輸路徑之外(off-path)大量就近緩存的內(nèi)容沒有被利用,而且臨近路由器中的內(nèi)容緩存缺乏協(xié)作,路由器中的緩存空間未能被有效利用,緩存空間的潛在能力沒有被充分釋放和發(fā)揮。緩存已經(jīng)是當(dāng)今因特網(wǎng)用于減少帶寬消耗的一個(gè)實(shí)用工具(如Web,P2P),而且優(yōu)化緩存系統(tǒng)的緩存理論和技術(shù)已經(jīng)得到大量的研究。但I(xiàn)CN網(wǎng)絡(luò)緩存異于傳統(tǒng)緩存的透明性、普遍性和精細(xì)化的特征使得網(wǎng)絡(luò)緩存系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和分析增添了難度,也使得現(xiàn)有的為Web緩存系統(tǒng)和CDN緩存系統(tǒng)開發(fā)的模型和集中式的復(fù)雜協(xié)作緩存優(yōu)化技術(shù)難以直接無縫地植入到網(wǎng)絡(luò)緩存中�，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)緩存方面的研究工作幾乎都是獨(dú)立討論緩存內(nèi)容的放置,沒有將緩存內(nèi)容的放置與緩存內(nèi)容的定位相互結(jié)合。緩存內(nèi)容的合理定位可以提高off-path緩存內(nèi)容的使用率,可以避免緩存內(nèi)容的放置形成冗余的緩存,可以提高網(wǎng)絡(luò)緩存器之間協(xié)作緩存的程度。本文的工作以ICN的重要代表DN(Named Data Networking)為背景,將緩存內(nèi)容的可達(dá)性適度引入路由,基于緩存可感知的路由設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而有效的網(wǎng)絡(luò)緩存管理方案以減少緩存冗余,提高緩存內(nèi)容的使用率和緩存空間的利用率,并減少用戶請(qǐng)求數(shù)據(jù)內(nèi)容所需開銷。本文的主要工作和研究成果如下：1.當(dāng)前on-path緩存機(jī)制存在冗余緩存和不必要緩存置換。針對(duì)這個(gè)問題,提供了一種機(jī)會(huì)型的on-path網(wǎng)絡(luò)緩存機(jī)制(OPPORTUNISTIC)。即使不能感知其他節(jié)點(diǎn)中緩存的內(nèi)容,該機(jī)制使路由器選擇性地緩存本地流行度高和離數(shù)據(jù)源遠(yuǎn)的內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)內(nèi)容的差異化緩存,減少不必要的緩存置換操作：同時(shí),由于ICN網(wǎng)絡(luò)存在請(qǐng)求聚合和緩存過濾的特征,網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)路由器對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容的流行度分布有不同的視圖,加上每個(gè)路由器在網(wǎng)絡(luò)中位置不一樣,不同路由器也偏向于緩存不同的數(shù)據(jù)內(nèi)容,減少冗余的緩存。2.若暫態(tài)緩存內(nèi)容只有本地可以感知,路由器不能使用off-path就近暫態(tài)緩存的內(nèi)容,也會(huì)導(dǎo)致冗余的緩存。針對(duì)這個(gè)問題,提出了一種將內(nèi)容放置、置換和定位相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)緩存機(jī)制(PRL)。該機(jī)制支持緩存可感知的路由,使得路由器可以感知和定位臨近路由器暫態(tài)緩存的內(nèi)容,提高暫態(tài)緩存內(nèi)容的使用率,同時(shí)內(nèi)容放置、置換和響應(yīng)用戶請(qǐng)求時(shí)考慮臨近節(jié)點(diǎn)內(nèi)的暫態(tài)緩存內(nèi)容,進(jìn)而減少網(wǎng)絡(luò)中緩存內(nèi)容的冗余度以及不必要的內(nèi)容緩存和置換,有效利用網(wǎng)絡(luò)緩存器的緩存空間,改善網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容的性能。3.針對(duì)傳統(tǒng)集中式的復(fù)雜協(xié)作緩存優(yōu)化技術(shù)難以應(yīng)用到穩(wěn)態(tài)緩存內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作緩存中的問題,提出了一種分布式的協(xié)作緩存機(jī)制(DICC)。該機(jī)制將穩(wěn)態(tài)緩存內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作緩存的問題形式化為一個(gè)帶約束條件的優(yōu)化問題,然后使用拉格朗日松弛法和原始對(duì)偶分解法將優(yōu)化問題分解為一系列的緩存內(nèi)容放置決策子問題和數(shù)據(jù)內(nèi)容定位子問題,每個(gè)緩存內(nèi)容放置決策子問題可以在各路由器處分布式地解決,然后緩存可感知的路由使得數(shù)據(jù)內(nèi)容定位的子問題也可以在各路由器處分布式地解決。DICC以節(jié)點(diǎn)間少量的通信開銷最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)緩存器之間對(duì)穩(wěn)態(tài)緩存內(nèi)容的共享以及協(xié)作緩存。4.將AS節(jié)點(diǎn)抽象為自治緩存器,針對(duì)自治緩存器試圖最小化的只是它自身的數(shù)據(jù)內(nèi)容訪問開銷而非整體的數(shù)據(jù)內(nèi)容訪問開銷的情況,提出了一種自治緩存器間的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作緩存機(jī)制(NSCC)。該機(jī)制采用博弈論的方法——迭代最佳對(duì)策：在每輪中,基于本地用戶對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容的請(qǐng)求率信息、到其他緩存節(jié)點(diǎn)訪問內(nèi)容的“價(jià)格”以及緩存可感知的路由提供的其他節(jié)點(diǎn)的緩存決策,自治的緩存節(jié)點(diǎn)依次獨(dú)自決定本地應(yīng)該緩存哪些內(nèi)容才是最佳的對(duì)策,最終找到滿足所有自治節(jié)點(diǎn)理性參與協(xié)作緩存限制條件的全局內(nèi)容放置方案,促使這些自治的節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作緩存。5.提供了NSCC在NDN中的實(shí)現(xiàn)模型。該模型給出了實(shí)現(xiàn)NSCC理論模型所需的請(qǐng)求率信息收集、節(jié)點(diǎn)間信息同步、緩存決策、內(nèi)容緩存和錯(cuò)誤事件檢測(cè)五個(gè)功能設(shè)計(jì)。該功能設(shè)計(jì)的正確性在實(shí)現(xiàn)NDN體系結(jié)構(gòu)的CCNx庫之上得到了驗(yàn)證。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP393.05

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本文編號(hào)：2759099